雙倍資料率(DDR)同步動態隨機存取記憶體(SDRAM，或直接稱為DRAM)技術，已成為幾乎所有從高效能企業資料中心到注重功耗/面積的行動應用中的熱門應用。這一切要歸功於DDR的高密度，其採用電容器作為記憶元件的簡單架構具有高效能、低延遲、高電池壽命以及低功耗等特點。JEDEC定義中開發了三種DDR標準：標準DDR、行動DDR和圖像DDR來說明如何滿足設計人員對記憶體的要求。JEDEC(圖1)已開發標準DDR中的新一代DDR5，該標準將以低於DDR4的I/O電壓(1.1V)和基於16Gb DRAM晶粒的高資料密度，同時支援達到6400Mbps的資料速率。DDR5 DRAM和雙列直插式儲存模組(DIMM)於2020年投入市場。
本文概述了DDR5 DRAM的幾個主要功能，設計人員可以將其部署在伺服器、雲端運算、網路、筆記型電腦、桌上型電腦和消費類應用的系統單晶片(SoC)中。
標準DDR規格
具備高密度和高效能的標準DDR DRAM有各種型號和外形尺寸，並支援4(×4)或8(×8)或16(×16)位元的數據寬度。終端應用可以將這些記憶體用作分立式DRAM或DIMM。DIMM是一款帶有多個DRAM晶片的印刷電路板(PCB)模組，支援64或72位元資料寬度。72位元DIMM稱為修正錯誤(ECC)DIMM，因為其除了支援64位元資料外，還支援8位元ECC。
伺服器、雲端和資料中心應用通常使用基於4個DRAM的72個ECC DIMM，進而獲得更高密度的DIMM並支援更高的可靠性/可用性/可維護性(RAS)功能。同時還能縮短此類應用在記憶體發生故障時的停機時間。基於其他8位元和16位元DRAM的DIMM較為便宜，所以此類產品廣泛用於在桌上型電腦和筆記型電腦中。與此同時，應用還可以將這些記憶體當作分立式DRAM使用。因此當它與其他DDR類別相比時，標準DDR通道寬度的靈活性就是最大的優勢。
DDR5走向高穩定/低延遲
DDR5的高效新功能包括：突發長度增加到16個字節，與出色的更新/預充電方案可實現更高的效能，同時提高通道利用率的雙通道DIMM架構、DDR5 DIMM上整合了穩壓器、為實現更高效能而增加的儲存區分組，以及命令/位址片內端接電阻(ODT)等。各方面相較DDR4規格，DDR5效能大幅提升(表1)。
除了效能更高之外，DDR5還導入多種RAS功能，以保持通道加速後的穩定性。這些協助DDR5達到高通道穩定性的功能包括：工作週期調節器(DCA)、晶片內建ECC、DRAM接收I/O均衡、RD和WR資料的循環冗餘校驗碼(CRC)以及內部DQS延遲監控。以下針對這些功能逐一說明。
DCA用於補償工作週期失真
工作週期調節器支援主機透過調節DRAM內部的工作週期來補償所有DQS/DQ引腳上的工作週期失真。因此，DCA功能能夠加強讀取資料的穩定性。
晶片內建ECC強化RAS
DDR5 DRAM為每128位元資料設置8位元的ECC存儲空間。進而使得晶片內建的ECC成為一種強大的RAS功能，可以保護記憶體陣列免受單個數位錯誤的影響。
DQ均衡以增加DRAM容量
DDR5 DRAM和LPDDR5 DRAM一樣，也支援WR資料均衡。該功能在DRAM 端為WR DQ打開了局面，可以保護通道免受符號間干擾(ISI)的影響，增加了容量，並實現了更高的資料速率。
RD/WR資料的CRC
DDR4僅支援寫資料使用CRC，而 DDR5將CRC的適用範圍擴展到讀取數據，進而提供額外保護，避免通道出錯。
內部DQS延遲監控
內部DQS延遲監控機制支援主機調整DRAM延遲，以補償電壓和溫度變化。以DDR5速度運行的主機可以使用此功能，定期重新訓練通道，以補償DRAM中延遲引起的臨界電壓(Vt)變化。
DDR速度呈倍數成長
設計人員為設計選擇最佳記憶體技術，以滿足目標應用的要求時，有很多選擇。其中DDR已好幾代皆發展成為具實用價值的規格，每一代的資料速率都實現了翻倍成長，從400Mbps的DDR發展到了6400Mbps的DDR5皆是如此。
DDR5有望提供更高的密度，包括雙通道DIMM拓撲，旨在隨著CPU核心數量的增加而提高通道效率和效能。這些優勢對於適合伺服器、雲端運算、網路、筆記型電腦、桌上型電腦和消費類應用的SoC最為重要。
無論設計人員選擇哪種DDR DRAM技術，都必須在SoC中部署相容的介面IP解決方案，以實現與DRAM之間的必要連接。廠商如新思科技(Synopsys)提供了經過矽驗證的DDR記憶體介面IP產品組合，可實現DDR5/4/3/2、LPDDR5/4/4X/3/2，以及HBM/HBM2E DRAM或DIMM。
DesignWare DDR IP全套解決方案包括控制器、主流和先進的FinFET技術的整合PHY以及驗證IP。該廠商除了向設計人員提供專業知識，滿足其預期的高效能應用要求之外，還提供訊號完整性/電源完整性分析、驗證模型、原型設計和模擬支援。
(本文作者為Synopsys高級技術行銷經理)
